"L'objectif de cette activité de laboratoire est d'étudier un redresseur actif circuit. Plus précisément, un circuit redresseur actif intègre un amplificateur opérationnel, un canal P à seuil bas mosfet, et une boucle de rétroaction pour synthétiser une vanne de courant unidirectionnelle ou un redresseur avec une entrée inférieure Tension chute qu'une diode à jonction PN conventionnelle.
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Par Doug Mercer, chercheur consultant et Antoniu Miclaus, ingénieur d'applications de systèmes
Target
Le but de cette activité de laboratoire est d'étudier un circuit redresseur actif. Plus précisément, un circuit redresseur actif intègre un amplificateur opérationnel, un canal P à bas seuil MOSFETet une boucle de rétroaction pour synthétiser une vanne de courant ou un redresseur unidirectionnel avec une chute de tension directe inférieure à celle d'une diode à jonction PN conventionnelle.
connaissances de base
Lorsqu'une alimentation utilise des diodes traditionnelles pour redresser la tension alternative afin d'obtenir une tension continue, certaines parties intrinsèquement inefficaces doivent être rectifiées. Une diode standard ou une diode ultrarapide peut avoir une tension directe de 1 V ou plus au courant nominal. Cette chute de tension directe de la diode est en série avec la source CA, ce qui réduit la tension de sortie CC potentielle. De plus, le produit de cette chute de tension et du courant délivré à travers la diode signifie que la dissipation de puissance et la génération de chaleur peuvent être considérables.
La tension directe inférieure des diodes Schottky est une amélioration par rapport aux diodes standard. Cependant, les diodes Schottky ont également une tension directe fixe intégrée. Des rendements plus élevés peuvent être obtenus en commutant activement le dispositif MOSFET de manière synchrone avec la forme d'onde CA d'entrée pour émuler une diode, en profitant des pertes de conduction plus faibles du FET. Le redressement actif, souvent appelé redressement synchrone, implique la commutation du dispositif FET au point approprié de la forme d'onde CA en fonction de la polarité, de sorte qu'il agit comme un redresseur, conduisant le courant uniquement dans la direction souhaitée.
Contrairement au cas des diodes à jonction, les pertes de conduction d'un FET dépendent de la résistance à l'état passant (RDS (ON)) et actuel. Choisissez un R faibleDS (ON)Un FET suffisamment grand réduit la chute de tension directe à une fraction de ce que n'importe quelle diode peut atteindre. Par conséquent, les redresseurs synchrones auront des pertes beaucoup plus faibles que les diodes, ce qui contribuera à améliorer l'efficacité globale.
La conception du circuit est plus complexe que pour les redresseurs à base de diodes car les signaux de grille utilisés pour commuter les FET doivent être synchronisés. Cette complexité est souvent plus facile à gérer que la complexité supplémentaire d'avoir à évacuer la chaleur générée par les diodes. Avec des exigences d'efficacité toujours croissantes, dans de nombreux cas, il n'y a pas de meilleur choix que d'utiliser le redressement synchrone.
Matières
• ADALM2000 Apprentissage actif Module
• Planche à pain sans soudure
• sauteur
• Un amplificateur opérationnel CMOS AD8541 avec entrée/sortie rail à rail à rail
• Un PMOS ZVP2110A Transistor (ou équivalent)
• Un 4.7 µF condensateur
• Un condensateur de 220 µF
• A 10 Ω Resistor
• Une résistance de 2.2 kΩ
• Une résistance de 47 kΩ
• Une résistance de 1 kΩ
illustrer
Construisez le circuit redresseur demi-onde simple illustré à la figure 1 sur la planche à pain. Le circuit de commande de grille active utilise un amplificateur opérationnel (AD8541) pour détecter lorsque la forme d'onde d'entrée CA de la sortie AWG est supérieure à la tension de sortie Vande(dans le sens positif), qui à son tour active le PMOS Transistor M1. Ce circuit fournit un redressement actif pour des tensions alternatives aussi basses que la tension d'alimentation minimale d'un amplificateur opérationnel (2.7 V pour l'AD8541) ou la tension de seuil de grille d'un dispositif PMOS (1.5 V typique pour le ZVP2110A). À des tensions d'entrée inférieures, la grille arrière du MOSFET pour drainer la diode prend le relais, agissant comme un redresseur à diode normal.
Figure 1. Redresseur demi-onde actif utilisant un ampli op auto-alimenté
Figure 2. Redresseur demi-onde actif utilisant un circuit de planche à pain d'amplificateur opérationnel auto-alimenté
Lorsque VINsupérieur à Vandel'ampli op allumera le transistor PMOS, avec la formule suivante :
où (tension référencée à la terre):
VGATEest la tension à la grille de M1.
VINPour tension d'entrée AC.
Vandepour C1 et RLtension de sortie à .
Les tensions d'entrée et de sortie peuvent être liées à la tension drain-source PMOS VDSet la tension grille-source VGSLiées entre elles, la formule est la suivante :
La combinaison de ces équations donne la commande de grille MOSFET en fonction de la tension drain-source :
Si la valeur de R2 est 21 fois celle de R1 (1 MΩ/47 kΩ), la tension drain-source de M1 VDSUne chute de 75 mV aux bornes est suffisante pour allumer un transistor PMOS avec une tension de seuil de C1.5 V. Le rapport de R2 à R1 peut être plus grand pour réduire la chute de tension d'entrée à sortie ou pour prendre en charge des transistors avec des tensions de seuil plus élevées. .
L'ampli op est alimenté par le condensateur de lissage de sortie C1, donc aucune alimentation supplémentaire n'est requise. Il y a certaines exigences pour l'ampli op choisi pour ce circuit. L'amplificateur doit avoir des entrées et des sorties rail à rail sans inversion de phase de gain lorsqu'il fonctionne à proximité des rails d'alimentation. La bande passante de l'ampli op limite la réponse en fréquence du circuit. Des amplificateurs opérationnels à faible courant d'alimentation sont souvent choisis pour cette application afin d'améliorer l'efficacité, de sorte que la bande passante et les vitesses de balayage sont généralement plus faibles. À des fréquences d'entrée CA plus élevées (probablement supérieures à 500 Hz), le gain de l'amplificateur commencera à chuter. L'amplificateur opérationnel CMOS à alimentation unique AD8541 répond à toutes ces exigences avec un courant d'alimentation aussi faible que 45 µA.
paramètres matériels
Les connexions de la planche à pain pour un redresseur demi-onde actif utilisant un ampli op auto-alimenté sont illustrées à la figure 2.
étapes du programme
AWG1 est connecté à VIN, doit être configuré comme une onde sinusoïdale avec une amplitude supérieure à 6 V crête à crête, un décalage nul et une fréquence de 100 Hz. L'entrée de l'oscilloscope est utilisée pour surveiller divers points autour du circuit, tels que VINVandeRStension aux bornes et à travers RSet le courant de grille M1.
Commencez avec un condensateur plus grand de 220 µF pour C1. Les 220 µF et 4.7 µF Condensateurs sont polarisés, assurez-vous donc de connecter correctement les extrémités positive et négative au circuit.
Utilisez les deux entrées de l'oscilloscope pour surveiller VINà la forme d'onde AC d'entrée et VandeLa forme d'onde de sortie CC à . Vandedoit être très proche de VINCulminer. Remplacez maintenant le gros condensateur de 220 µF par un condensateur beaucoup plus petit de 4.7 µF. observer VandeLa forme d'onde change à. Quand Vandevaleur la plus proche de VINl'intervalle du cycle d'entrée alternatif est comparé à la tension de grille du transistor M1.
Figure 3. Utilisation d'un condensateur de 220 µF pour VandeEt VIN Diagramme de scopie
Figure 4. V à l'aide d'un condensateur de 4.7 µFandeEt VIN Diagramme de scopie
La voie 2 de l'oscilloscope est connectée au shunt (c'est-à-dire résistance 10 Ω RS), utilisez la fonction de mesure pour obtenir les valeurs crête et moyenne du courant. Connectez la valeur moyenne avec une résistance de charge R de 2.2 kΩLpar rapport à la valeur DC de VandeCalculé à partir de la tension mesurée. Répétez cette mesure pour les valeurs de condensateur de 220 µF et 4.7 µF.
Autres utilisations de ce circuit
Un circuit qui ne permet au courant de circuler que dans une seule direction avec une très faible chute de tension à travers le commutateur a d'autres utilisations potentielles. Dans un chargeur de batterie, où la puissance d'entrée peut être intermittente (comme un panneau solaire ou une éolienne), il est nécessaire d'empêcher la batterie de se décharger lorsque la puissance d'entrée ne produit pas une tension suffisamment élevée pour charger la batterie. Des diodes Schottky simples sont généralement utilisées à cette fin, mais comme indiqué dans la section de fond, cela entraîne une perte d'efficacité. L'utilisation d'un ampli op avec un courant d'alimentation de fonctionnement suffisamment faible peut souvent être inférieur au courant de fuite inverse d'une grande diode Schottky.
question:
Pouvez-vous citer quelques applications pratiques des redresseurs actifs ? Vous pouvez trouver des réponses sur le forum de la zone étudiante.
À propos des appareils analogiques
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A propos de l'auteur
Doug Mercer est diplômé du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) en 1977 avec un BSEE. Depuis qu'il a rejoint Analog Devices en 1977, il a directement ou indirectement contribué à plus de 30 convertisseurs de données et détient 13 brevets. Il a été nommé Fellow ADI en 1995. En 2009, il a quitté un emploi à temps plein et continue de servir de consultant à ADI en tant que chercheur émérite, écrivant pour l'Active Learning Initiative. En 2016, il a été nommé ingénieur en résidence du département RPI ECSE. Contact : doug.mercer@analog.com.
Antoniu Miclaus est actuellement ingénieur d'applications système chez Analog Devices, travaillant sur des projets d'enseignement ADI et développant des logiciels embarqués pour Circuits from the Lab®, l'automatisation de l'assurance qualité et la gestion des processus. Il a rejoint Analog Devices en février 2017 à Cluj-Napoca, en Roumanie. Il est actuellement étudiant à la maîtrise dans le programme de maîtrise en génie logiciel de l'Université Babes Bowyer et est titulaire d'une licence en génie électronique et des télécommunications de l'Université technique de Cluj-Napoca. Contact : antonio.miclaus@analog.com.
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